店埠河特大桥工程场地地震安全性评价研究

张 赛，姜旭辉，方晓红，张乾坤

(1.安庆职业技术学院 建筑工程学院，安徽 安庆，246003；2.合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥，230000)

0 引言

我国是一个经常发生地震的国家，地震发生时建筑物以及地震带的基础设施将受到大面积地破坏[1]。桥梁是交通运输路线上重要的基础设施，其在地震作用下的安全性，不仅关系到桥梁本身安全，也关系到救灾和重建工作能否顺利进行。近年来，随着桥梁抗震设计的要求越来越高，工程场地地震安全分析工作的重要性愈发明显，分析得到的场地地震动数据将直接用于桥梁的抗震设计，也可为同区域工程项目提供参考。

目前，采用地震危险性概率分析方法进行场地安全性评价，是解决此类工程问题的常规方法，国内专家学者立足实际场地情况也进行过一些研究。如：王天成等以黑水河特大桥项目为背景，通过系统的研究，较完整的得到了青藏高原与四川接壤区域地震动时程和拟合曲线，为黑水河大桥设计提供了可靠的抗震设计数据[1]；来春景等采用一维等效线性化方法，构建黄土丘陵沟壑地区地震动反应计算模型，得出地震动放大系数随填土高度增大不断递减的结论，为同类场地项目建设提供参考[2]；丁晓庆分析了四川西部丘陵地区各概率下的地震动参数,并提出满足动力法与静力法分析的基岩加速度时程[3]；欧展良等在收集整理铁山港跨海特大桥近场区域地质资料后，分析计算填土、淤泥质砂土、细沙等类型的场地地震动数据，并定性的评价了该工程所在地地质灾害情况[4]；刘港对广州宝钢大厦工程场地进行地震钻孔，运用工程测振仪，观测分析了地面脉动波形，采取速度检层法，计算得到该工程区域地震动参数，科学的分析出场地在强震作用下存在细砂层液化的危险[5]。

基于上述研究成果不难看出，场地地震安全性分析研究应用的工程项目较广，采取的方法路径不尽相同，但受场地所处地震带特点、场地地质条件、工程类别、研究方法的影响，对各场地地震安全分析的全面性存在差异。本文以合肥市店埠河特大桥工程项目为例，运用常用的地震危险性概率分析方法，对工程场地所在郯庐地震带进行地震活动性评价，分析计算设计地震动的相关参数，完整、系统的研究合肥及周边地区的场地地震安全，为该区域尚未开发利用的场地提供抗震设计参考。

1 工程概况

店埠河特大桥位于安徽省合肥市西部，是包公大道主线跨越店埠河所设桥梁，全长236 m，全宽28.5 m，采用(84+152)m独塔单索面不对称钢-混组合梁斜拉桥，桥塔为钢筋混凝土结构，桥梁边跨为预应力混凝土箱梁，主跨为钢结构箱梁，抗震设防类别甲类，场地的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，所属的设计地震分组为第一组。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)[6]，店埠河特大桥的场地特征周期为0.35s，E1地震动基本加速度峰值为118Gal，E2地震动基本加速度峰值为237Gal。

1.1 区域和近场地震活动性

1.1.1 区域构造背景

大桥建设区域为江淮丘陵地区，地势情况为西北高东南低，桥梁主体位于合肥盆地内部，该盆地为中生代断陷类型，受活动性断裂控制，两侧分别为断陷和超覆，从而形成的小型断陷盆地，其结晶基底深度在6～8 km，莫霍面深度在35 km左右。近地场的第四纪地层主要由冲积形成，其次为湖积、残积层和坡积层；第四系地层厚度西部一般为10～20 m，东部部分地区较厚。近场区的新构造运动主要为差异性升降；破坏为新构造期的明显活动，破坏区为三度期的明显活动，第四纪减弱，晚第四纪的活动不明显。近场区在新构造期断裂活动明显，决定了新三纪和第四纪该区域地层分布，区内断裂活动在第三纪期间活动明显，到第四纪以后活动逐渐减弱。

1.1.2 场地区域地震基本情况

研究区域位于华北地震区的南部，跨越郯庐地震带、华北平原地震带和长江下游～黄海地震带，属于三个地震带接壤区，工程场地在郯庐地震带内部，区域内部和邻近区域地震时，主要以水平挤压应力为主。查阅地震记录相关资料统计，自有地震记载以来，该区域共记载Ms≥4.75级地震共47次，其中Ms≥6级地震有6次，5≤Ms<6级地震有27次，43/4≤Ms<5级地震为14次，最大震级为Ms6.25级。区域地震空间上多处呈现北东向条带状，且多为小震活动，其中地震密集发生条带位于郯庐断裂带中南段附近，近年来地震活动有逐步增强的趋势。

1.2 区域地震活动性

1.2.1 区域范围地震活动特征

小震活动呈带分布明显，区域内多处呈现北东向小震密集发生条带。其中地震密集发生条带位于郯庐断裂带中南段附近，近年来地震活动有逐步增强的趋势，构造应力的主压力方向为北东、北东东。

1.2.2 震源深度分布特征

自1970年区域地震台网建立以来，ML≥2.0级地震的数据共记录1209个，统计地震震源深度表1。从表中可以看到，在整个工作区内地震震源深度97%以上都在25 km以内，其中又以5～14 km 范围居多，场地区域发生的地震绝大部分集中在地壳中上层，属于浅源构造地震，场地震源深度见表1。

表1 场地区域震源深度分布统计表

1.2.3 场地影响烈度分析

根据《中国历史强震目录》[7]和《中国近代地震目录》[8]，分析历史发生地震的影响，见表2，对工程场地造成影响烈度达Ⅳ度及以上的地震，仅有一次位于近场区内，该次地震为1673年3月合肥城南5级地震，震中距离工程场地13 km，影响烈度达Ⅵ度工程场地遭受地震影响的最大烈度为Ⅷ度。

表2 大桥所在场地有记录以来影响烈度达Ⅳ度以上的地震情况表

2 场地地震动参数确定

2.1 地震带地震活动参数确定

2.1.1 震级上限Muz和起算震级M0的确定

首先，在地震危险性概率分析中，地震带震级上限Muz是指地震带或潜在震源区内可能发生的最大地震的震级极限值。确定Muz主要依据有：第一，在具有长时间地震记录资料的地区，若地震活动跨越多个地震活动期，一般根据该区域最大地震强度确定Muz；第二，在同一个大地震活动区域内，通过构造类比可以推论出，一个构造条件相似的地震带可以引起相似烈度的最大地震。实际工作需要考虑上述两个原则，且Muz应等于区内各潜在震源区震级上限最大值的原则。从而确定：华北平原地震带Muz=8.0；郯庐地震带Muz=8.5；长江下游—南黄海地震带Muz=7.5。其次，起算震级M0是在地震危险性概率分析中参与计算的最低震级，其大小与震源深度、震源类型、震源应力环境等因素有关，根据表1震源深度分析，大桥所在区域地震属于浅源地震，鉴于4级地震会产生一定程度的破坏，故在本场地起算震级M0为4级。

2.1.2 地震带b值和ν4的确定

本场地地震活动性参数采用《全国地震动参数区划图》[6]中确定b和ν4的通用方法，在不同方案进行统计分析确定b和ν4作为初值的基础上，根据1970年以来仪器记录的强震分布特点、地震带内实际地震发生率和未来地震活动趋势分析结果等因素，并基于对未来地震危险性保守性估计，进行调整，最终确定大桥场地所在郯庐地震带b=0.85和ν4=4.0。

图1中比较实际统计值与理论计算值，可以看出，根据b=0.85和ν4=4.0计算得到的理论发生率处在小震级段，与1970年以来的水平大致相当；在中强震级段与活跃期地震活动水平相当；而在高震级段，基本与1500年以来活动水平相当，考虑到这一时期发生过多次7级以上地震，因此，发生率应该具有一定的保守性。

图1 郯庐地震带各时段实际统计与理论结果对比

2.2 潜在震源区地震活动性参数

表3 场地区域几个主要潜在震源区Mu,fi,mj和方向性函数

2.3 地震动衰减关系

按照俞言祥和汪素云建立的中国东部活跃区地震动参数衰减关系[10]，构建本次场地地震安全性研究的分段线性模型，见(1)、(2)式，其中lg表示以10为底的常用对数：

当M<6.5时，

lgY(M,R)=A1+B1M-Clg(R+Dexp(E·M))

(1)

当M≥6.5时，

lgY(M,R)=A2+B2M-Clg(R+Dexp(E·M))

(2)

式中，Y为加速度峰值或反应谱值；M为震级；R为震中距；A1、B1、A2、B2、C、D为回归系数。

该模型主要特点是在6.5级处震级项分段，用两个线性项来反映震级饱和，同时继承性的选用包含指数形式的近场饱和因子D·exp(E·M)震级项来反映大震近场距离饱和现象。有效避免了二次函数形式的震级项在高震级引发过饱和效应，同时模型参数简单易于使用。图2为该区域基岩水平向加速度峰值衰减关系。

图2 大桥所在场地水平向基岩峰值加速度衰减曲线图

2.4 地震危险性概率分析

基于上述已确定的潜在震源区地震活动性参数和衰减关系曲线，采用中国地震局官方认可的“考虑地震活动时、空不均匀性的地震危险性分析计算程序包”，分析计算该工程场地地震危险性，生成大桥场地不同超越概率基岩水平下的水平峰值加速度和加速度反应谱。

在50年和100年超越概率63%、10% 、2%条件下，大桥场地基岩水平峰值加速度分别为22gal、78gal、151gal和34gal、107gal、188gal。基岩峰值加速度超越概率和加速度反应谱曲线见图3、图4所示，其中阻尼比均为5%。表4为潜在震源区对场地地震水平峰值加速度的贡献率，不难看出，场地地震危险性贡献主要以近场潜源为主。

图3 大桥场地峰值水平加速度超越概率曲线图

图4 不同超越概率基岩水平向的地震峰值加速度反应谱曲线

表4 主要潜在震源区对大桥场地水平峰值加速度的贡献率表

2.5 设计地震动参数确定

按照上述工程场地的地震动参数和场地实际情况，本桥梁场地设计地震动加速度反应谱公式取：

Sa(T)=Amaxβ(T)

(3)

(4)

其中，Sa(T)为周期T时的反应谱值(cm/s2)；T为反应谱周期(s)；

Amax为地震动峰值加速度(cm/s2)，

αmax对应《建筑抗震设计规范》[11](GB 50011-2010)中的地震影响系数最大值，β(T)为设计地震动加速度放大系数反应谱(放大倍数)，且有：

(5)

根据上述公式，对工程场地地表水平向加速度反应谱进行标定，得到拟合曲线，即地表水平向设计地震动加速度反应谱(5%阻尼比)曲线。根据标定结果，最终确定工程场地的T1、Tg、βm、γ、Amax和αmax等参数值，见表5。

表5 场地50年、100年不同超越概率地表水平向地震动峰值加速度及反应谱(5%阻尼比)参数值

3 场地土层地震反应分析

3.1 持时参数的确定

地震动是采用振幅、频谱和持时三个指标来描述的[12]。其中，地震动持时参数要靠等效震级和等效震中距来确定，根据我国强震资料的数据统计，参考麦圭尔90%能量持时公式，见(6)式：

lntd=0.19+0.15M+0.36lnR

(6)

式中，td为地震动总持续时间，M表示震级；R表示震中距；经综合分析，不同超越概率下地震动持时为81.92s。在此基础上，兼顾地震动反应谱与强度包线参数的匹配关系，得到地震动参数，见表6。

表6 场地地震动持时参数表

3.2 基岩地震动时程的合成

根据地震动时程合成原理及参数，采取插值法，使周期控制点达到55个，分别对目标谱取不同随机初始相位，各合成3条基岩地震动加速度时程曲线，如图5～图10所示，为工程场地人工合成的50年和100年超越概率下为63%、10%、2%相应时程。在50年超越概率为63%、10%、2%和100年超越概率为63%、10%、2%条件下，场地计算点自由地表面处水平峰值加速度，图11为综合给出了场地地表不同超越概率水平相应的水平向地震动加速度反应谱曲线(5%阻尼比)。

图5 大桥场地设计地震加速度的时程图(P50=63%)

图6 大桥场地设计地震加速度的时程图(P50=10%)

图7 大桥场地设计地震加速度的时程图(P50=2%)

图8 大桥场地设计地震加速度的时程图(P100=63%)

图9 大桥场地设计地震加速度的时程图(P100=10%)

图10 大桥场地设计地震加速度的时程图(P100=2%)

图11 工程场地不同超越概率下地表水平向地震动加速度反应谱

4 结论

(1) 该区域震级上限Muz为8.5，地震带起算震级M0为4.0级。确定大桥场地震级-累积频度关系中的b值为0.85，地震年平均发生率ν4=4.0；根据该区域潜在震源区不同震级档的Mu、fi,mj以及方向性函数，得出不同超越概率下基岩水平方向上地震动峰值加速度反应谱曲线、椭圆震级线长轴和短轴衰减关系，可作为郯庐地震带边缘区域的基岩加速度衰减关系参考。

(2) 采用椭圆型的等震线进行地震风险性分析，得到50年和100年不同超越概率条件下，基岩水平峰值加速度分别为22gal、78gal、151gal和34gal、107gal、188gal；对该场地不同超越概率下地表水平向地震动加速度反应谱曲线进行标定，得到相应的拟合曲线。

(3) 根据场地地震动参数值，确定了本工程场地设计地震动加速度反应谱公式，计算得出场地地表水平向地震动峰值加速度及反应谱(5%阻尼比)参数值，可以看出该场地地震峰值加速度最大值为296gal，地震影响系数最大值为0.74；合成了不同超越概率条件下3条基岩地震动时程曲线，采用人工合成加速度转化为频率域中的拟合谱，与输入计算的目标谱比较，相对误差小于5%。